王洪俭

（上海地铁维护保障有限公司通号分公司，200235，上海∥工程师）

车载控制器诊断数据实时记录共享系统研究

王洪俭

（上海地铁维护保障有限公司通号分公司，200235，上海∥工程师）

城市轨道交通现有CBTC（基于通信的列车控制）系统中VOBC（车载控制器）缺乏诊断数据记录功能，列车在运营过程中若发生瞬态故障，往往难以准确查明原因，由此产生安全隐患。对VOBC诊断数据实时采集、记录和共享的需求进行分析，提出VOBC诊断数据实时记录共享系统的功能与逻辑框架，讨论具有故障-安全特性的接口设计方法，并进行了硬件设计及程序编写。经实验室初步测试，该设备实现了预期的诊断数据采集、处理和无线共享等功能。

基于通信的列车控制；车载控制器；诊断数据

Author's addressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.Telecom&Signal Branch，200235，Shanghai，China

1 研究背景

随着地铁客流不断增加，行车密度越来越高，对信号控制系统的要求也越来越高，基于通信的列车控制（CBTC）系统应用日趋广泛。CBTC系统车载设备的核心是车载控制器（VOBC），其直接决定行车安全，并极大地影响线路运能和全路网的运行平稳。当CTBC系统发生瞬态故障后，由于缺乏VOBC诊断数据的历史记录，只能事后在试车线进行模拟实验，给准确查找故障原因带来了较大的困难，也不利于故障快速处置，且容易造成故障影响面扩大。例如，2012年6月25日上海轨道交通8号线832次列车突发“牵引、制动同时有效”故障，由于缺乏车载VOBC诊断数据，故障原因无法快速确认，虽然经过多次排故处置但仍无法动车，最后只能清客救援。该故障对线网运营造成了较大影响。

目前，国内外涉及VOBC诊断数据实时记录共享实现方法的研究很少。国内运营中的地铁列车基本上没有安装地铁车辆运营记录仪，一旦地铁车辆发生重要故障或事故，司机可执行紧急事件按钮，相关信息便永久性记录到地铁车辆的计算机控制单元内存中。这一方式所存储的信息是简短的、部分的，仅为紧急事件按钮按下前后几分钟内的记录，无法记录完整的有关列车的数据，给故障（事故）的分析带来了一定困难。因此，研究VOBC诊断数据实时记录共享系统可有力促进地铁运营的维护保障工作。

在具体研究过程中，需首先了解现有VOBC的结构组成和工作原理。以上海轨道交通11号线为例，其VOBC由3块主处理器单元（MPU）插板组成，各MPU插板均提供1个Ethernet以太网接口，通过专用电缆连接至以太网信道选择插板（CSS），再由CSS连至机箱背板，构成3取2型安全计算架构（见图1）。当3块MPU插板中有一块出现故障时，CSS根据3取2表决逻辑仍可输出正确结果。

图1 3取2安全计算机架构示意图

当VOBC运行诊断模式时，需要将选定的

MPU插板Ethernet电缆从CSS拔下，转而连接至调试计算机并运行VOBC诊断终端程序，读取VOBC诊断数据，如图2所示。因此，VOBC诊断状态下，VOBC机架仅有2块MPU插板按2取2模式执行安全计算，若此时其中1块MPU插板发生故障，则2块MPU插板输出不一致，CSS根据2取2逻辑，判为设备故障并生成EB（紧急制动）指令，对列车实施紧急制动。为此，运营规范禁止MPU插板长时间脱开CSS，这导致无法长时间地持续获得VOBC诊断数据，设备维护非常不便。

图2 VOBC诊断模式下2取2安全计算机架构示意图

2 VQBC诊断数据实时记录共享系统功能与框架

通过对VOBC系统架构及诊断数据记录共享需求的分析，提出VOBC诊断数据实时记录共享系统应具备以下功能：

（1）通过与VOBC系统的通信，完整、可靠地获取VOBC诊断数据；

（2）具备大容量数据存储功能，完整存储一个运营维护周期内的VOBC诊断数据；

（3）具备无线通信与网络共享功能，可实时获取在线运营列车的诊断数据；

（4）不影响VOBC现有功能，尽可能减少对现有设备的干扰。

其系统框架如图3所示，分为数据采集存储模块和无线传输共享模块两部分。数据采集存储模块直接与VOBC相连，实时采集并存储诊断数据；无线传输网络共享模块可根据需求将指定列车的VOBC诊断数据通过无线链路实时传输至服务器，实现网络共享。

3 VQBC诊断数据采集与存储技术

在VOBC的3取2安全计算架构内，CSS从3块MPU插板对应的3路Ethernet接口中选择2路，将其数据送入E2CC（以太网转2通道CAN）插板，变换为CAN总线数据并传输至其他远端设备，实现VOBC和其他车载设备的数据交换。为了保证VOBC数据获取的完整可靠，同时避免采集记录装置对原有VOBC系统功能的影响，VOBC诊断数据采集接口必须满足以下需求：

（1）不影响VOBC系统的正常工作；

（2）适应VOBC诊断数据高通、大数据量的特点，可靠接收和存储数据；

（3）在接口故障情况下，实现VOBC诊断数据接口的强制离线，保证MPU插板和CSS的物理连接，使VOBC原有功能不受影响；

（4）适应车载振动和冲击环境、较宽温度变化范围和剧烈电源电压波动，满足城市轨道交通列车对复杂电磁环境的要求。

基于以上需求，本文选择基于ARM Cortex-M4核心的STM32F437芯片设计VOBC诊断数据采集存储设备，并选择SD卡作为大容量存储介质。

3.1 诊断数据采集接口

为尽量减少采集记录装置对VOBC系统的影响，确保MPU插板与CSS的物理连接，选择将VOBC诊断数据采集存储设备设置在CSS后端，通过CSS中的备用Ethernet端口与现有VOBC系统连接；再通过修改CSS底层算法，实现VOBC系统与诊断数据采集设备的通信。诊断数据采集设备不设置在MPU与CSS之间，可最大程度降低诊断数据采集设备故障时对VOBC系统的干扰，从物理上可靠保证设备故障情况下VOBC系统原有功能不

受大的影响。

图3 VOBC诊断数据实时记录共享系统结构示意图

CSS现有预留接口为Ethernet端口。因此VOBC诊断数据采集存储设备也需有Ethernet端口。本研究选用WIZnet公司的W5300芯片实现Ethernet接入。与大多数Ethernet接入芯片相比，W5300芯片在内存空间和数据处理能力等方面有很大的优势，特别是WIZnet拥有的全硬件通信协议技术，其克服了软件通信协议的连接不稳定、可靠性较低、故障频发且大量占用芯片资源的弊端，通过全硬件电路实现通信协议之间的转换，极大地提高了转换速度和效率，连接稳定可靠。W5300芯片与MPU主控芯片、Ethernet网口的接口关系为：

（1）W5300芯片通过TXOP，TXON，RXIP，RXIN4个引脚与RJ45网口（Ethernet）连接。W5300与Ethernet的接口电路如图4所示。

图4 W5300与Ethernet接口电路示意图

（2）W5300芯片与STM32F437芯片通过10位地址总线和16位数据总线连接，用户可通过BIT16EN引脚选择使用8位或16位数据总线进行高速数据通信。此外，主机可通过/CS、/RD、 /WR、/INT引脚向W5300芯片发送片选信号、读（写）使能信号和中断请求。W5300与STM32F437芯片电路如图5所示。

图5 W5300与主机接口示意图

Ethernet网络通信模式包括用户数据报协议（UDP）、传输控制协议（TCP）等。UDP是一种无

连接的协议，广泛应用于对传输速度有较高要求而安全性要求较低的场合。TCP提供可靠的、面向连接的传输控制协议。为保证VOBC诊断数据传输的准确性，及时发现VOBC运行异常，减少误报和漏报，选用TCP以适合网络传输需求。通过修改VOBC底层算法，增加诊断数据采集请求的响应功能，即可建立诊断数据采集设备和VOBC之间的数据交互通道。

3.2 接口安全与动态安全电路

由于诊断数据采集设备与VOBC之间的通信是双向的信息交互，故诊断数据采集设备的故障可能会对VOBC产生不利影响，如大量发送无用信息、发送错误信息等。为防止诊断数据采集设备的故障增大VOBC系统负担，危及VOBC系统的安全性，本文选用动态安全继电器电路对诊断数据采集设备与VOBC的通信接口进行控制，在诊断数据采集设备发生故障时，及时切断其与VOBC通信的物理链路。

动态安全电路结构如图6所示，在以太网连接线路TX+、TX-、RX+、RX-共4条链路中串入安全继电器常闭接点，由继电器线圈控制链路通断。输入W5300周期性中断请求（方波）信号，驱动晶体管V4周期性导通，V4集电极输出的方波信号再驱动V1、Q2轮流导通。当V1导通Q2截止时，VCC 24V经V1、R10、D4对C10充电；当Q2导通V1截止时，C10经D6、D1对继电器J1线圈和C13放电。当充放电频率达到某一特定值时，电路达到动态平衡，在安全继电器J1线圈两端产生稳定电压U1，保持安全继电器线圈两端电压的稳定，以此维持诊断数据采集设备与VOBC系统的通信链路。动态安全电路的输入方波频率可由电路中各电容值调节。当诊断数据采集设备发生故障，通信中断，W5300周期性中断请求信号消失，此时无论输入端处于常高电平或常低电平，安全继电器线圈两端电压都会迅速削减直至归零，切断以太网口通信链路，同时点亮故障报警指示灯LED7。

图6 动态安全电路

为了验证动态安全电路的性能，笔者在Multisim环境下对该电路进行了仿真验证。输入信号INT选用频率1 k Hz、振幅5 V的方波，继电器线圈输出端电压波形如图7所示。U1为继电器线圈负端电压，继电器线圈正端经二极管D6接地，因此U1达到较低负电压时，继电器吸起。仿真结果表明，方波脉冲输入一段时间（t1）后，U1下降，继电器线圈电压达到额定值并保持稳定；当方波脉冲输入于t2时刻切断后，U1上升，继电器线圈电压迅速下降，于t3时刻基本降为零，继电器常开接点断开，切断采集存储电路和VOBC系统之间的连线，电路性能达到预期要求。

图7 输入信号与继电器线圈电压波形图

4 VQBC诊断数据无线传输和网络共享技术

为了实现对运行中车辆VOBC诊断数据的实时共享，必须通过无线通信技术进行网络共享。考虑城市轨道交通列车运行环境、数据传输速率要求等，VOBC诊断数据对无线传输和网络共享技术的需求为：

（1）通信频段选择上避开CBTC所占用的2.4 GHz频段，以防止对CBTC系统工作的干扰；

（2）无线通信在适应VOBC诊断数据量的基础上，选择尽可能简单的方式，减少对地面附属设施的需求，以降低成本，提高可靠性；

综合考虑上述需求，VOBC诊断数据无线传输选取基于中国移动GPRS和中国联通WCDMA等公共无线通信网络的数据传输技术较为适宜。首先，GPRS和WCDMA等方式可有效适应轨道交通运行环境，避开CBTC系统占用的频段，避免对车辆正常运行的干扰；其次，利用现有公共无线通信技术无需额外加装地面附属设施，可最大程度地精简数据无线传输系统，提高系统可靠性并降低成本。此外，VOBC诊断数据无线传输只根据需求择时开启，开启时间不固定，而GPRS等无线通信方式根据时间计费的特点正适应这一需求，可最大程度降低成本、节约信道资源。本系统根据VOBC诊断数据量对传输速率的需求和成本，选取GRPS作为诊断数据网络共享方式。

5 系统实现

基于系统功能与框架，笔者进行了硬件设计及程序编写。硬件电路主要模块见表1。设备实物如图8所示。设备正面设有电源、调试串口、SIM卡插口，以及用于GPRS通信的SMA天线插头。设备背面设有RJ-45以太网接口，用于与VOBC系统通信。外壳设计综合考虑了设备的散热、抗振、抗干扰性能。经实验室初步测试，设备可完整实现预期的诊断数据采集、处理与无线共享等功能。

6 结语

本文对VOBC诊断数据实时采集、记录与共享的需求进行分析，提出了系统逻辑架构，进行了相关软硬件设计，实现了初步功能。该VOBC诊断数据实时记录共享系统填补了VOBC系统在实时数据记录共享方面的空白，可满足轨道交通运营管理对于诊断数据实时记录和共享的迫切需求，对于提高轨道交通维护保障能力、强化列车运行安全有重要意义。

表1 VQBC诊断数据实时记录共享设备功能模块

图8 VOBC诊断数据实时记录共享设备硬件实物图

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Achievement of VQBC Diagnostic Data Recording and Sharing System

Wang Hongjian

Due to the lack of real-time diagnostic data recording and sharing functions in VOBC，which is adopted in CBTCsystem of Shanghai Metro，the short-timed failures are usually hard to be detected and removed，and thus causing considerable potential risks.With an analysis of the demands for real-time recording and sharing system of VOBC diagnostic data，a framework of VOBC functions and logic is proposed，the design of the interface with failure/safety characteristics，the design of hardware and programming are discussed.The test in laboratory showsthat this new equipment could perform the expected functions.

communication based train control（CBTC）；vehicle on-board controller（VOBC）；diagnostic data

U 231.7

2014-03-23）